Optimaliseren van de hydrolysestap in anaerobe zuivering van huishoudelijk afvalwater in gematigde klimaatzones door het beheren/beheersen van microbiële gemeenschappen

Dit onderzoek focust op huishoudelijk afvalwater, het afvalwater dat geproduceerd wordt bij huishoudelijke activiteiten. Tot op heden wordt dit afvalwater voornamelijk biologisch gezuiverd met beluchte actief slib systemen. Echter, deze systemen zijn niet duurzaam aangezien ze veel energie vereisen voor de beluchting van de bioreactoren, uitsluitend koolstofdioxide (CO2) vrijzetten bij de afbraak van het organisch materiaal in het afvalwater en grote hoeveelheden biologisch slib produceren. Anaerobe biologische afvalwaterzuivering van huishoudelijk afvalwater biedt een antwoord op alle bovenstaande hinderpalen, maar verloopt moeizaam bij de lage temperaturen die typisch zijn voor gematigde klimaatregio’s, bv. tussen 10 °C en 20 °C in België.

Dit doctoraat streefde ernaar om de technologische toepasbaarheid van anaerobe biologische zuivering van huishoudelijk afvalwater in gematigde klimaatregio’s te verhogen. Om dit te bereiken werden experimenten uitgevoerd rond drie onderwerpen.

Ten eerste, werd een proteïne hydrolyse assay ontwikkeld om de afbraaksnelheid van proteïnen in de hydrolysestap te kwantificeren. Een assay met BODIPY FL casein, een melkproteïne, werd ontwikkeld met een miniatuurformaat en een hoge doorvoer. Op basis van deze experimenten is gebleken dat de assay leidt tot kwantitatieve resultaten en verschillende stalen kunnen op korte termijn geanalyseerd worden.

Ten tweede, werd er gepoogd een gelijkaardig assay te ontwikkelen om de afbraaksnelheid van vetten in de hydrolysestap te meten. Een assay met plantaardige olie als modelsubstraat en Rhodamine B voor de kwantificatie van de afbraaksnelheid werd geëvalueerd.

Ten slotte, werden de physico-chemische en microbiologische processen in detail in kaart gebracht die optreden tijdens een temperatuursverandering van 30 °C naar 15 °C in anaerobe biologische zuivering van huishoudelijk afvalwater. Bijkomend werd de mogelijkheid onderzocht om alternatieve bronnen van biomassa te gebruiken om de bioreactoren op te starten, en werd nagegaan of biofilmvorming kon gebruikt worden om de microbiële gemeenschap vast te houden in de bioreactor bij lage operationele temperatuur. Dit gebeurde tijdens een experiment over een periode van 684 dagen waarbij een synthetisch huishoudelijk afvalwater gevoed werd aan bioreactoren op laboschaal. De operationele temperatuur werd stapsgewijs verlaagd van 30 °C naar 20 °C en dan naar 15 °C. Aan het einde van het experiment werd de temperatuur terug verhoogd naar 30 °C. Drie verschillende soorten biomassa werden gebruikt om zeven bioreactoren op te starten: een slib uit een anaerobe vergister (3 reactoren), koe rumen (3 reactoren) en schaap rumen (1 reactor). Biofilm dragermateriaal uit polyethyleen werd toegevoegd aan alle reactoren om biofilmvorming te stimuleren.

De zuiveringsefficiëntie werd sterk nadelig beïnvloed door de stapsgewijze temperatuurverlagingen in alle reactoren. Over het hele experiment bekeken, waren de reactoren die rumen bevatten in staat om het afvalwater te zuiveren, maar ze deden dit niet efficiënter dan de reactoren met slib uit een anaerobe vergister. De beoogde biofilmvorming op het polyethyleen dragermateriaal werd niet bekomen in dit experiment, vermoedelijk door een combinatie van turbulentie door continue menging met een magnetische roerplaat en een hoge hydraulische verblijftijd in de bioreactor. Het gebrek aan biofilmvorming leidde er mogelijk toe dat traaggroeiende micro-organismen zoals methanogene Archaea en syntrofe lange-keten vetzuuroxiderende bacteriën gedeeltelijk uitgespoeld werden met nadelige gevolgen voor de performantie van de bioreactor.